延安氣田排水采氣工藝實踐

張成斌 米偉偉 井文超 楊添麒 雷振宇 劉為愷 左 金 文 明 楊強強 何 鵬

1. 陜西延長石油（集團）有限責任公司研究院

2. 陜西延長石油（集團）有限責任公司油氣勘探公司延長氣田采氣一廠

關鍵字 延安氣田 積液 排水采氣 臨界攜液流速 現(xiàn)場應用 工藝流程

0 引言

延安氣田地處鄂爾多斯盆地東南部，構(gòu)造上屬于伊陜斜坡，是典型的 “三低”氣藏（低孔、低滲透、低壓）[1]。氣田沒有邊水和底水，氣井產(chǎn)水主要來自層內(nèi)可動水和凝析水，目前主要利用地層能量開采。隨著氣田不斷開發(fā)，地層壓力越來越低，氣井攜液能力變?nèi)酰饾u形成井底積液。如果不采取有效排水措施將會造成氣井產(chǎn)量下降、穩(wěn)定生產(chǎn)時間縮短、氣藏采收率降低。目前以“泡沫排水為主、提產(chǎn)排水為輔”的排水采氣工藝已不能滿足現(xiàn)場需求，水淹井逐漸增多?？偨Y(jié)其他氣田的有效經(jīng)驗，通過實踐形成適合本氣田的排水采氣體系及管理辦法，成功復產(chǎn)多口水淹井，效果顯著。

1 氣井積液判斷依據(jù)

井底積液是由于地層能量不足，井筒天然氣流速較低，不能將液相組分完全或有效排出到地面的現(xiàn)象。井底積液可從動態(tài)壓力產(chǎn)量曲線及產(chǎn)出水情況等進行判斷：①氣井的產(chǎn)量和套壓反復周期性波動；②油管壓力梯度增高、油套壓差明顯增大；③壓力梯度變化；④流量遞減曲線不穩(wěn)定且有下降趨勢。研究表明：臨界攜液流速（流量）和動能因子是判斷氣井積液的兩個重要參數(shù)。

1.1 臨界攜液流速（流量）

臨界攜液流速是指氣體將液體攜帶出井筒所需的最小流速，是氣體和液體性質(zhì)以及連續(xù)相流體流動特征的函數(shù)。根據(jù)液體在氣井井筒內(nèi)的分布狀態(tài)，形成了兩類模型理論。①湍流中的液滴模型理論：認為氣流中最大液滴連續(xù)不斷地被氣相帶出井筒是生產(chǎn)的最低要求；②波動液膜模型理論：認為氣井積液主要是由于液膜滑脫流動造成的[2]。典型的臨界攜液流速模型見表1。

研究分析延安氣田延氣2—延128井區(qū)氣藏地質(zhì)情況，并修正李閩模型得到了適合該區(qū)塊的臨界攜液流速（流量）計算公式：

表1 典型的臨界攜液流速模型表

式中ρg、ρl分別表示氣體和液體密度，kg/m3；σ表示液滴表面張力，N/m；vcr表示臨界攜液流速，m/s。

式中p表示壓力，MPa；T表示溫度，K；Z表示該壓力、溫度條件下的氣體偏差因子，無因次量；A表示油管橫截面積，m2；qcr表示臨界攜液流量，m3/d。

通過氣井臨界攜液流量的敏感性分析（圖1）得出：臨界攜液流量對油管尺寸最為敏感，其次是壓力，表面張力和氣體相對密度影響較小。

現(xiàn)場技術人員根據(jù)實際情況進行參數(shù)取值，得到僅與壓力、油管橫截面積相關的臨界攜液流量計算公式，并結(jié)合井筒流壓測試資料進行修正：

利用公式（3）對該區(qū)塊氣井的積液情況進行判斷，其正確率可高達95%[7]

1.2 動能因子

動能因子主要用來判斷井筒中氣液兩相流動的特性，是氣井能量的反映，其大小可表征氣井在生產(chǎn)過程中的攜液能力。通過計算動能因子可判斷氣井積液情況，確定排水采氣措施實施的最佳時機[8]。動能因子計算公式如下：

式中Q表示日產(chǎn)氣量，104m3；d表示油管內(nèi)徑，m；γ表示天然氣相對密度，無因次量；Ts表示井底氣流溫度，K；ps表示井底流動壓力，MPa；Zs表示該壓力、溫度條件下的氣體偏差因子，無因次量；F表示動能因子。

進行動能因子的敏感性分析（圖2），可得出：油管尺寸對動能因子的影響最大，氣井的日產(chǎn)氣量和井底流壓對動能因子的影響次之，動能因子對氣體的相對密度和井底溫度的敏感性最弱。因此，當日產(chǎn)量遠不足以完全攜液時，及時更換小管徑油管生產(chǎn)能有效地避免氣井積液。

圖2 動能因子影響因素敏感性分析圖

2 常規(guī)排水采氣工藝

氣井正常生產(chǎn)時也會產(chǎn)生積液現(xiàn)象，但氣井仍有自噴能力，此時可采用常規(guī)排水采氣工藝?，F(xiàn)場已形成了“泡沫排水采氣為主，提產(chǎn)排水、柱塞排水為輔”的排水采氣體系。

2.1 泡沫排水采氣

泡沫排水采氣是利用化學藥劑把井筒內(nèi)的積液轉(zhuǎn)化成密度小、攜帶方便的泡沫狀流體，提升流體攜液能力，降低氣井臨界攜液流量，確保井筒積液順利排出，其優(yōu)勢是所需設備簡便、操作難度較低、適用性較強、可在氣井正常生產(chǎn)中實施，該工藝的關鍵在于藥劑的選擇與配伍性[9-15]。

經(jīng)過多年的摸索，針對延安氣田延氣2—延128—延145井區(qū)生產(chǎn)情況，研究出新型耐溫耐鹽抗油起泡劑MF-1，可克服井筒內(nèi)高溫高礦化度等現(xiàn)象，并形成較完善的泡沫排水采氣制度（表2、3）。2017年該區(qū)塊共實施泡沫排水2 983井次，效果良好。井下節(jié)流井單站日產(chǎn)水由0.7 m3增至2.2 m3；高壓集氣井平均油套壓差由2.91 MPa降至0.67 MPa，日產(chǎn)水0.09 m3增至0.19 m3。分析油壓變化值與起泡劑原液量的關系（圖3），可得出油壓變化率隨著起泡劑原液量的增加而減小，呈現(xiàn)對數(shù)關系。

表2 高壓集氣井泡沫排水采氣制度

表3 井下節(jié)流井泡沫排水采氣制度

圖3 油壓變化值與起泡劑原液量關系圖

為保證冬季天然氣外輸量，該區(qū)塊通過添加高效抗凍成分、改變凍結(jié)形成的熱力學條件、結(jié)晶速率或聚集形態(tài)等手段對起泡劑和消泡劑的抗凍性能進行改良。在溫度低達－15 ℃條件下選取平均油套壓差為2.9 MPa的高壓集氣井進行試驗后，平均油套壓差降至0.5 MPa，單井日產(chǎn)水由0.38 m3增至2.1 m3，效果良好。但在試驗過程中仍出現(xiàn)了設備停機、管線閥門凍堵等問題。

2.2 提產(chǎn)排水采氣

提產(chǎn)排水采氣是通過提高配產(chǎn)、增大生產(chǎn)壓差、減少井底積液回壓來提高氣井攜液能力，達到排水采氣目的，具有操作簡單、實施方便、投資少等特點[16]。對于高、中產(chǎn)井可直接進行提產(chǎn)排水，而對于低產(chǎn)井往往因為底層能量不足只能通過制定間開制度（氣井每天開井1 ～6 h，日總產(chǎn)氣量不變）來間接提高瞬時產(chǎn)量進行提產(chǎn)排水。

2.3 柱塞排水采氣

柱塞排水采氣是利用柱塞將井筒內(nèi)氣液兩相進行分離，在氣井自身能量的作用下往返周期性排液，可防止液體回落和氣體上竄，從而提高氣井間歇舉升效率，延長生產(chǎn)時間[17]。常規(guī)柱塞排水采氣選用實心一體式柱塞，通過井口控制器和薄膜閥來實現(xiàn)自動控制生產(chǎn)，井口設備相對較多，改造較難，運行及維護成本較高。中國石油川慶鉆探工程有限公司通過技術改進，采用空心分體式柱塞來代替常規(guī)柱塞，并簡化井口工藝，從而實現(xiàn)氣井自適應生產(chǎn)，大大降低了成本和維護難度。圖4給出了兩種柱塞排水采氣工藝示意圖。研究區(qū)塊2017年首次開展了小直徑柱塞排水試驗，獲得了較好的排水效果，保證了氣井連續(xù)生產(chǎn)。

圖4 常規(guī)柱塞排水采氣和改進的柱塞排水采氣工藝示意圖

3 水淹井復產(chǎn)排水采氣工藝

水淹井是指排液不及時造成無法靠自身能量生產(chǎn)的氣井，需要借助外界能量來提高其流速或更換小管徑油管降低其臨界攜液流速來恢復生產(chǎn)?，F(xiàn)場通常采用氣舉排水采氣、抽汲排水采氣或連續(xù)油管排水采氣等工藝，加以泡沫排水采氣工藝為輔助來恢復水淹井生產(chǎn)。

3.1 氣舉排水采氣

氣舉排水采氣是把高壓氣體從氣井油管注入將井筒內(nèi)的積液從油套環(huán)空處排出（正舉）或從氣井油套環(huán)空注入將井筒內(nèi)的積液從油管排出（反舉），從而降低井筒內(nèi)液柱的高度、減小氣體回壓，使氣井恢復正常生產(chǎn)。根據(jù)氣體類型，可將其分為高壓氮氣氣舉和高壓天然氣氣舉兩大類。

1）高壓氮氣氣舉排水采氣

根據(jù)氮氣來源可將其分為現(xiàn)場制氮氣舉和液氮氣舉兩種。與液氮氣舉相比，現(xiàn)場制氮氣舉的成本較低、排出壓力不高，適用于壓力等級偏低的氣井。2014年至2017年延安氣田延氣2—延128—延145井區(qū)共對52口氣井進行現(xiàn)場制氮氣舉作業(yè)。作業(yè)前氣井油壓較低，平均在4.5 MPa左右，井筒積液比較嚴重，氣井已無自噴能力，無法正常生產(chǎn)；作業(yè)后氣井油壓迅速上漲，油套壓差由原來的10.4 MPa減小至1.3 MPa，施工期間每口井平均排液可達20余方，氣井恢復正常生產(chǎn)。

2）高壓天然氣氣舉排水采氣

根據(jù)天然氣來源可將其分為壓縮機氣舉和井間互聯(lián)氣舉兩種。壓縮機氣舉排水采氣是將來自油管的天然氣經(jīng)過分離器分離處理后由壓縮機增壓從氣井油套環(huán)空注入井中，反復循環(huán)帶出井筒積液[18]。井間互聯(lián)氣舉排水采氣是利用井場上的高壓氣井作為氣源，將其生產(chǎn)的天然氣注入到低壓弱噴氣井的油套環(huán)空，將積液從油管排出。井間互聯(lián)氣舉排水采氣工藝實施的先決條件是同一井場要有高壓氣源井。研究區(qū)現(xiàn)場試驗要求高壓氣源井的壓力要在15 MPa以上。

3.2 抽汲排水采氣

抽汲排水采氣是利用地面打撈車來提供動力，結(jié)合高效抽汲設備將井筒積液由油管抽汲排出，從而降低流體回壓，使氣井得以正常生產(chǎn)[19]。該技術的關鍵在于井口高壓力下的動密封問題。圖5給出了一種抽汲防噴裝置，耐壓可達20 MPa。氣井抽汲排液時該防噴裝置和防噴管（位于測試閥門處）連接起來使用，從而確保抽汲繩在下井過程中油管處于待密封狀態(tài)。在誘噴成功前，抽汲繩和密封件不密封。誘噴成功時，活塞在液壓油推動下迅速壓縮密封件對井口進行密封，以防井噴事故的發(fā)生。

圖5 抽汲排水時井口防噴裝置示意圖

2017年延安氣田延128井區(qū)采用抽汲排水采氣工藝恢復生產(chǎn)了一口水淹井。施工前該井已停產(chǎn)半年，套壓12.5 MPa，油壓4.7 MPa。地面打撈車下抽汲膠筒進行抽汲排液，降低液面誘導放噴。經(jīng)過6輪的“抽汲+放噴”，共計排出積液8.6 m3，油壓恢復至9.8 MPa，套壓恢復至11.0 MPa，氣井恢復正常生產(chǎn)，日產(chǎn)量達1.2 104m3。

3.3 連續(xù)油管排水采氣

連續(xù)油管排水采氣是以氣井臨界攜液流速理論為基礎，通過在井筒內(nèi)下入較小直徑的連續(xù)油管，構(gòu)造小管徑生產(chǎn)管柱，減小流通面積，增大流動速度，提高攜液能力，從而使氣井恢復正常生產(chǎn)[20-21]。該工藝適用于地層壓力小、產(chǎn)水量多的氣井，具有施工快、見效早、長期有效、對地層傷害小的優(yōu)點。

現(xiàn)場在生產(chǎn)管柱為?73 mm的水淹井實施連續(xù)油管排水采氣工藝。該井計算的臨界攜液流量為8 000 m3/d，而實際產(chǎn)量為3 300 m3/d，泡沫排水作業(yè)后仍無法連續(xù)生產(chǎn)。采用連續(xù)油管（?38.1 mm 3.18 mm 2 550 m）作業(yè)后該井恢復生產(chǎn)，日產(chǎn)氣量1.5 104m3，日產(chǎn)水最高1.3 m3。

4 結(jié)論

1）臨界攜液流量和動能因子對油管尺寸最為敏感。在現(xiàn)場生產(chǎn)中，應根據(jù)氣井的臨界攜液流量來選取生產(chǎn)管柱進行開采；當日產(chǎn)氣量遠不足以完全攜液時，應及時更換小管徑油管來避免氣井積液。

2）延安氣田建立了以“泡沫排水采氣為主，多元復合排水為輔”的排水采氣體系和“地質(zhì)氣藏綜合研究+單井動態(tài)精準跟蹤＋現(xiàn)場作業(yè)準確規(guī)范＋工藝設備自動一體化”的排水采氣精細化管理體系，為氣田開發(fā)保駕護航。

3）在今后生產(chǎn)中，延安氣田應根據(jù)實際情況不斷改進原有排水采氣工藝、引進新排水采氣技術（同心毛細管排水采氣、渦流排水采氣、電潛泵排水采氣等），來確保氣井正常生產(chǎn)；并繼續(xù)深入開展冬季排水采氣工藝研究，優(yōu)化施工過程、井口結(jié)構(gòu)和注入系統(tǒng)，形成完善的冬季排水采氣方案，緩解冬季“氣荒”問題。